JP3012903B2 - 新規の可溶性ポリイミド樹脂 - Google Patents

新規の可溶性ポリイミド樹脂

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JP3012903B2 JP10272419A JP27241998A JP3012903B2 JP 3012903 B2 JP3012903 B2 JP 3012903B2 JP 10272419 A JP10272419 A JP 10272419A JP 27241998 A JP27241998 A JP 27241998A JP 3012903 B2 JP3012903 B2 JP 3012903B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、新規の可溶性ポリ
イミド樹脂及びその製造方法に関するもので、より詳細
には芳香族のテトラカルボン酸二無水物と多様な構造の
アルキル基が置換された脂肪族の環状基を含む芳香族ジ
ミンを使用して耐熱性、溶解性及び透明性が優れ、次の
化学式(1)を反復単位とする形態のポリイミド樹脂及
びその製造方法に関するものである。
【0002】
【化7】
【0003】上記の化学式(1)で、
【0004】
【化8】
【0005】の中から選択された1つ以上の4価基を示
し;
【0006】
【化9】
【0007】として示される置換されたアルキルジアニ
リングループが必ず最小1つ以上含まれ、選択的に
【0008】
【化10】
【0009】の中から選択された2価基が含まれること
ができ;この時、RはC〜Cの直鎖あるいは側鎖
アルキル基、フェニル基、あるいはC〜Cの直鎖あ
るいは側鎖アルキル基に置換されたフェニル基を示す。
【0010】
【従来の技術】一般的に、ポリイミド樹脂は、芳香族の
テトラカルボン酸或いはその誘導体と、芳香族のジアミ
ン或いは芳香族のジイソシアネートを縮重合の後にイミ
ド化して製造される高耐熱性樹脂を称する。しかし、こ
のポリイミド樹脂は溶媒に溶解されない不溶性と加熱に
より溶融されない不融性を有する。
【0011】また、ポリイミド樹脂は、使用された単量
体の種類により各種の分子構造を有することができる。
一般的に、芳香族のテトラカルボン酸成分としては、ピ
ロメリット酸二無水物(PMDA)或いはビフェニルテ
トラカルボン酸二無水物(BPTA)を使用し、芳香族
のジアミン成分としては、オキシジアニリン(ODA)
或いはp−フェニレンジアミン(p−PDA)を使用し
て縮重合させて製造している。最も代表的なポリイミド
樹脂は、反復単位として次の化学式(10)を有する。
【0012】
【化11】
【0013】上記の化学式(10)を反復単位とするポ
リイミド樹脂は、不溶・不融の超高耐熱性樹脂として次
のような特性を有している:(1)優れた耐熱酸化性を
有し、(2)使用できる温度が極めて高く:長期使用温
度は約260℃であり、短期使用温度は約480℃と非
常にすぐれた耐熱特性を有し:(3)優れた電気化学的
・機械的特性を有し、(4)耐放射線性及び低温特性が
優れ、(5)固有難燃性を有し、(6)耐薬品性が優れ
ている。
【0014】しかし、上記の化学式(10)を反復単位
とするポリイミド樹脂は、優れた耐熱特性を有する長所
をもつが、その反面、不溶・不融の性質により加工が極
めて難しいという短所がある。このようなポリイミド樹
脂の短所を改善するための方法として、重合体の主鎖
(backbone)或いは側鎖に極性基を導入する方
法、嵩高の連結基或いは側鎖基(pendant gr
oup)を導入する方法、重合体の主鎖の柔軟性を増加
させる方法等が報告されている。
【0015】特に、ポリイミド樹脂の溶解度を増加させ
るための研究として、T.Kurosaki等は、脂肪
酸の脂環式酸無水物を単量体として使用して可溶性のポ
リイミド樹脂を製造する方法を発表した(Macrom
olecules,1994,27,1117及び19
93,26,4961)。また、1993年にQnJi
n等は、環状ジアミンを使用して可溶性のポリイミド樹
脂を製造したこともある(J.P.S.Part A.
Polym.Chem.Ed.,31,2345〜23
51)。
【0016】しかし、上記のような方法により改質され
た大部分の可溶性のポリイミド樹脂は、鎖の柔軟性が増
大されて溶解度が改善される利点はあるが、ポリイミド
樹脂の一番大きい長所である高い熱安定性、機械的性質
等が深刻に低下されるので、これを実用化するには問題
がある。また、チバ・ガイギー社で開発した代表的な可
溶性のポリイミド樹脂(商品名Matrimid 52
18)の場合、重合体の主鎖にトリメチルインダン基を
導入して優れた耐熱性と同時に優れた溶解特性を与える
と報告されている。しかし、このポリイミド樹脂は、単
量体を製造する時に各種段階の工程を経なければならな
いので、普遍的に使用するには制約が多い。
【0017】
【発明が解決しようとする課題】このような研究の一環
として、本発明者らは、既存の芳香族の高耐熱高分子に
よる加工性改善のために数年間の研究を通じて代表的な
熱可塑性、高耐熱樹脂であるポリアミドイミド樹脂の溶
解及び溶融特性を改善させる研究を行った。その結果、
トリメチルシクロヘキシル基を含む脂肪族のジアミン化
合物であるイソホロンジアミンを重合体の主鎖に導入し
て重合体の溶解性を大きく増加させることができること
を見出した(米国特許第5,521,276号)。
【0018】また、本発明者らは、イソホロンジアミン
を含むポリイミド樹脂に比べ、さらに耐熱性が優れ、可
溶性のポリイミド樹脂を製造するために努力した。その
結果、トリメチルシクロヘキシル基を含む芳香族のジア
ミン化合物であるトリメチルシクロヘキシリデンジアニ
リン(TMCH−DA)を単量体として使用して物性の
優れた多様な種類の単一ポリイミド樹脂及び共重合ポリ
イミド樹脂を製造して特許出願した(大韓民国特許出願
第97−2811号)。
【0019】これにより、上記の研究結果に基づき、本
発明者らは、トリメチルシクロヘキシリデンジアニリン
(TMCH−DA)の2つのフェニル基の間の連結基で
あるトリメチルシクロヘキシリデン基のメチル基の代わ
りに各種の置換体をシクロヘキシリデン基に導入して重
合体の溶解性と耐熱性を大きく増加させることができ
た。
【0020】
【課題を解決するための手段】本発明は、既存のポリイ
ミド樹脂の製造に使用された芳香族ジアミンの代わり
に、新たな構造の芳香族ジアミンを導入し、これを各種
の芳香族テトラカルボン酸二無水物と反応させて、優れ
た耐熱性及び溶解特性を有する新規のポリイミド樹脂を
製造して本発明を完成した。
【0021】従って、本発明は、既存のポリイミド樹脂
の特性をそのまま維持しながら、溶解性、成形性、加工
性等が優れ、各種の電気・電子、宇宙・航空等の先端産
業の核心となる耐熱素材として使用することができる新
規の可溶性ポリイミド樹脂を提供することにその目的が
ある。本発明は、次の化学式(1)を反復単位とするポ
リイミド樹脂を、その特徴とする。
【0022】
【化12】
【0023】上記の化学式(1)で
【0024】
【化13】
【0025】は、それぞれ上記で定義した。また、本発
明は、芳香族テトラカルボン酸二無水物と芳香族ジアミ
ン化合物を溶液重合させてポリイミド樹脂を製造する方
法において、上記の芳香族テトラカルボン酸二無水物と
しては、ピロメリット酸二無水物(PMDA)、ベンゾ
フェノンテトラカルボン酸二無水物(BTDA)、オキ
シジフタル酸二無水物(ODPA)、ビフェニルテトラ
カボン酸二無水物(BPDA)、ヘキサフルオロイソプ
ロピリデンジフタル酸二無水物(HFDA)及びヒドロ
キノンビスフタル酸二無水物(HQDPA)の中から選
択された1種あるいは2種以上の化合物を含み、上記の
芳香族ジアミン化合物としては、次の化学式(2)で示
される置換されたアルキルジアニリン誘導体の中から1
つ以上を必須成分として含み、必要によりオキシジアニ
リン、メチレンジアニリン、m−ビスアミノフェノキシ
ジフェニルスルホン及びp−ビスアミノフェノキシジフ
ェニルスルホンの中から選択された1種あるいは2種以
上の化合物を含むことを特徴とする上記化学式(1)を
反復単位とするポリイミド樹脂の製造方法を含む。
【0026】
【化14】
【0027】上記の化学式(2)で、RはC〜C
の直鎖あるいは側鎖アルキル基、フェニル基、あるいは
〜Cの直鎖あるいは側鎖アルキル基に置換された
フェニル基を示す。
【0028】
【発明の実施の形態】本発明をさらに詳細に説明すれば
次のようである。本発明は、上記化学式(2)で示し、
置換されたアルキルアニリン誘導体、例えば4−メチル
シクロヘキシリデンジアニリン(MECHDA)、4−
エチルシクロヘキシリデンジアニリン(ETCHD
A)、4−t−ブチルシクロヘキシリデンジアニリン
(TBCHDA)、4−アミルシクロヘキシリデンジア
ニリン(AMCHDA)及び4−フェニル置換系シクロ
ヘキシリデンジアニリン(PHCHDA)を芳香族ジア
ミン化合物の必須成分として含み、製造された上記の化
学式(1)を反復単位とするポリイミド樹脂とこの製造
方法に関するものである。
【0029】本発明によるポリイミド樹脂は、約50,
000〜200,000g/molの重量平均分子量
(M)を有し、0.5〜2.0dL/gの固有粘度を
維持し、250〜400℃のガラス転移温度(T)を
有する。また、本発明のポリイミド樹脂は、ジメチルア
セトアミド(DMAc)、ジメチルホルムアミド(DM
F)、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、アセト
ン、エチルアセテートのような非陽子性極性溶媒を始
め、m−クレゾールのような有機溶媒に対して常温で容
易に溶解される特徴を有する。ちなみに、テトラヒドロ
フラン(THF)、クロロホルムのような低沸点溶液、
その上にγ−ブチロラクトンのような低吸収性溶媒に対
しても常温で10重量%以上の高い溶解度を示す。ま
た、これらの混合溶媒に対しても高い溶解度を示す。
【0030】このような本発明を次の実施例に基づいて
さらに詳細に説明するが、本発明は、これらに限定され
るものではない。
【0031】
【実施例】実施例1 攪拌機、温度調節装置、窒素注入装置、滴下漏斗及び冷
却器を装着した50mlの反応器に窒素ガスを徐々に通
過させながら、4−メチルシクロヘキシリデンジアニリ
ン(MECHDA、2.80g、0.01mol)を反
応溶媒である36mlのジメチルアセトアミド(DMA
c)に溶解させた後、窒素ガスを通しながら、m−クレ
ゾールに溶解し、窒素ガスを通しながら、固体状のピロ
メリット酸二無水物(PMDA、2.18g、0.01
mol)を徐々に加えた。この時に固形濃度(soli
d content)は、15重量%に固定し、反応温
度を70℃まで昇温してから2時間にわたって反応を進
行させた。つづいて、還流温度まで昇温してから6〜1
2時間にわたって攪拌させた。この時にイミド化触媒と
しては、イソキノリン(1〜5重量%)を使用した。反
応が終った後、反応混合物はwaringブレンダーを
利用して過量のメタノール(MeOH)に沈澱させ、濾
過された重合体を水とMeOHにより数回洗浄した後、
120℃の温度で減圧乾燥して新規のポリイミド樹脂
(P−1)を合成した。この時に重合反応の収率は定量
的であった。メタクレゾールを溶媒として0.5g/d
Lの濃度と30℃で測定した固有粘度は1.18dL/
gであった。
【0032】実施例2 4−エチルシクロヘキシリデンジアニリン(ETCHD
A、2.94g、0.01mol)とピロメリット酸二
無水物(PMDA、2.18g、0.01mol)をm
−クレゾールに溶解させた後、上記の実施例1と同じ方
法によりポリイミド樹脂(P−2)を合成した。製造さ
れたポリイミド樹脂を0.5g/dLの濃度でm−クレ
ゾールに溶解させて30℃で測定した固有粘度は1.2
7dL/gであった。
【0033】実施例3 4−t−ブチルシクロヘキシリデンジアニリン(TBC
HDA、3.22g、0.01mol)とピロメリット
酸二無水物(PMDA、2.18g、0.01mol)
をm−クレゾールに溶解させた後、上記の実施例1と同
じ方法によりポリイミド樹脂(P−3)を合成した。製
造されたポリイミド樹脂を0.5g/dLの濃度でm−
クレゾールに溶解させて30℃で測定した固有粘度は
0.93dL/gであった。
【0034】実施例4 4−アミルシクロヘキシリデンジアニリン(AMCHD
A、3.36g、0.01mol)とピロメリット酸二
無水物(PMDA、2.18g、0.01mol)をm
−クレゾールに溶解させた後、上記の実施例1と同じ方
法によりポリイミド樹脂(P−4)を合成した。製造さ
れたポリイミド樹脂を0.5g/dLの濃度でm−クレ
ゾールに溶解させて30℃で測定した固有粘度は1.2
4dL/gであった。
【0035】実施例5 4−フェニル置換系シクロヘキシリデンジアニリン(P
HCHDA、3.40g、0.0lmol)とピロメリ
ット酸二無水物(PMDA、2.18g、0.01mo
l)をm−クレゾールに溶解させた後、上記の実施例1
と同じ方法によりポリイミド樹脂(P−5)を合成し
た。製造されたポリイミド樹脂を0.5g/dLの濃度
でm−クレゾールに溶解させて30℃で測定した固有粘
度は0.80dL/gであった。
【0036】実施例6 4−エチルシクロヘキシリデンジアニリン(ETCHD
A、2.21g、7.5mmol)とオキシジアニリン
(ODA、0.5g、2.5mmol)をm−クレゾー
ル(34ml)に溶解させた後、ピロメリット酸二無水
物(PMDA、2.18g、0.01mol)を加えて
上記の実施例1と同じ方法により共重合ポリイミド樹脂
(P−6)を合成した。製造されたポリイミド樹脂を
0.5g/dLの濃度でm−クレゾールに溶解させて3
0℃で測定した固有粘度は1.32dL/gであった。
【0037】比較例 上記の実施例1と同じ方法により行ったが、ただシクロ
ヘキシリデンジアニリン(CHDA、2.66g、0.
01mol)とピロメリット酸二無水物(PMDA、
2.18g、0.01mol)を反応させる方法により
ポリイミド樹脂(P−7)を合成した。製造されたポリ
イミド樹脂は、反応中に固体状で沈澱し、m−クレゾー
ルに不溶であったので、固有粘度の測定は不可能であっ
た。
【0038】実験例1:分子量の測定 上記の実施例1〜6及び比較例から製造したそれぞれの
ポリイミド樹脂に対する固有粘度と溶媒鋳型によるフィ
ルム成形性の測定結果を次の表1に示す。
【0039】
【表1】 本発明による実施例1〜6により製造されたすべてのポ
リイミド樹脂は、無晶形の透明な樹脂として、m−クレ
ゾールで測定した固有粘度が約0.5〜2.0dL/g
の高分子量の重合体が得られ、溶媒鋳型によるフィルム
成形性もやはり優れていた。即ち、曲がった構造を有し
ている本発明のジアミン単量体は、高温での1段階イミ
ド化反応により高い分子量の重合体が製造されることが
判る。
【0040】その反面、比較例から製造されたポリイミ
ド樹脂は、溶解性の低い樹脂としてm−クレゾールでの
固有粘度の測定は不可能であった。 実験例2:熱分解 上記の実施例1〜6及び比較例から製造されたそれぞれ
のポリイミド樹脂に対する熱的性質を評価するために、
本発明ではガラス転移温度と熱分解温度等を測定した。
【0041】ガラス転移温度は、示差走査熱量計(DS
C)を利用して窒素気流下で、10℃/分の速度で昇温
し、伝導したDSC測定値の二次熱痕跡から測定した。
熱分解温度は、熱重量分析(TGA)を利用して窒素気
流下で10℃/分の速度で昇温しながら測定した。
【0042】
【表2】
【0043】上記の表2から明らかなように、本発明に
て製造した新規の重合体は、使用した無水物の種類と置
換体の種類により多少の差があるが、たいてい250〜
400℃の高いガラス転移温度(T)を示している。
代表的な全芳香族のポリイミド樹脂であるKapton
(登録商標)が約380℃付近のガラス転移温度を示す
ことを考慮すれば、本発明は重要な意味を持つ。
【0044】詳しく述べると、本発明によるポリイミド
樹脂はKapton(登録商標)に劣らない長期耐熱特
性を示している。これは、加工工程では有利な点をも
つ。即ち、本発明のポリイミド樹脂は、イミド化が完結
された状態で溶解されているので、樹脂溶液を塗布した
後、別途のイミド化反応を行う必要がなく、加工温度を
溶媒の蒸発温度である200℃以下に低めることができ
るので、周辺部品の熱老化を防止することができる。ち
なみに、高温では副反応物生成による気泡発生を低下さ
せることができる利点がある。従って、今後のポリイミ
ド樹脂の応用範囲を拡大することに大きく寄与すること
ができる。
【0045】
【表3】
【0046】表3によると、本発明から製造されたポリ
イミド樹脂の最大減量温度は約500℃でありかなり優
れた値を示した。 実験例3:溶解特性 本発明によるポリイミド樹脂の有機溶媒に対する溶解特
性を測定して、ピロメリット酸二無水物(PMDA)系
ポリイミド樹脂の溶解特性を次の表4に、ヘキサフルオ
ロイソプロピリデンジフタール酸二無水物(HFDA)
系ポリイミド樹脂の溶解特性を表5に、それらの結果を
示す。
【0047】
【表4】
【0048】上記の表4に示したように、本発明のポリ
イミド樹脂は、既存の全芳香族のポリイミド樹脂と異な
り、大部分の有機溶媒に溶解する極めて優れた溶解力を
示した。堅い構造のピロメリット酸二無水物(PMD
A)を含むポリイミド樹脂の場合においても、N−メチ
ル−2−ピロリドン(NMP)、ジメチルアセトアミド
(DMAc)、ジメチルホルムアミド(DMF)のよう
な非陽子性溶媒以外でもTHFのような一般有機溶媒に
も常温で容易に溶解するという望ましい研究結果を示し
ている。
【0049】
【表5】
【0050】また、上記の表5から示されるように、二
価酸無水物の柔軟性が増加したHFDAを使用して製造
されたポリイミド樹脂は、より溶解性が増加するという
結果を示し、アセトン、メチルエチルケトン(ME
K)、酢酸エチル(EtOAc)等の常用有機溶剤に対
して優れた溶解性を示している。結果的に、従来の全芳
香族のポリイミド樹脂とは異なり、本発明によるすべて
の可溶性のポリイミド樹脂は、どんな種類の二無水物と
重合した場合でも優れた溶解力を示している。これは、
本発明がポリイミド樹脂等の応用性を拡大することに重
要な意味がある。即ち、本発明のポリイミド樹脂が接着
素材として使用される場合、完全にイミド化された状態
でも溶解力が優れているので、200℃以下の低温でポ
リイミド樹脂フィルムへの製作が可能となり、さらに加
熱して接着する時にも水のような副産物の発生が少ない
ので、気泡発生を低下させることができる。したがっ
て、このような特徴により、本発明のポリイミド樹脂
は、液晶配向膜あるいは可溶性の感光性ポリイミド樹脂
としての応用が可能である。
【0051】
【発明の効果】本発明のポリイミド樹脂は、優れた耐熱
性及び溶解・溶融特性により、特に低温加工が要求され
る電気・電子部品の耐熱・絶縁膜としての応用が可能で
あり、各種の先端的耐熱構造材料として有用である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ウェンキシ フアン 中国 チャンチュン,チャン チュン インスチチュート オブ アプライド ケミストリイ オブ ザ チャイニーズ アカデミイ オブ サイエンシーズ (56)参考文献 特開 平2−209923(JP,A) ソ連国特許発明238155(SU,A) Macromolecules,Vo l.30,No.19(1997),p.5606− 5611 J.Macromol.Sci.,P ure Appl.Chem.,Vo l.A35,No.5(1998),p.843 −855 Vysokomol.Soedi n.,Ser.B,Vol.12,No. 5(1970),p.349−353 Vysokomol.Soedi n.,Ser.A,Vol.12,No. 4(1970),p.873−884 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C08G 73/00 - 73/26 C08L 79/00 - 79/08 CA(STN) REGISTRY(STN)

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】次の化学式(1)を反復単位とすることを
    特徴とするポリイミド樹脂。 【化1】 式中、 【化2】 の中から選択された1つ以上の4価基を示し; 【化3】 として示される置換されたアルキルジアニリングループ
    が必ず最小1つ以上含まれ、選択的に 【化4】 の中から選択された2価基が含まれることができ;この
    時、RはC〜Cの直鎖あるいは側鎖アルキル基、
    フェニル基、あるいはC〜Cの直鎖あるいは側鎖ア
    ルキル基に置換されたフェニル基を示す。
  2. 【請求項2】上記ポリイミド樹脂の固有粘度が0.5〜
    2.0dL/gの範囲を維持することを特徴とする請求
    項1記載のポリイミド樹脂。
  3. 【請求項3】上記ポリイミド樹脂の分子量分布が50,
    000〜200,000g/molの範囲を維持するこ
    とを特徴とする請求項1記載のポリイミド樹脂。
  4. 【請求項4】上記ポリイミド樹脂のガラス転移温度が2
    50〜400℃であることを特徴とする請求項1記載の
    ポリイミド樹脂。
  5. 【請求項5】上記ポリイミド樹脂は、ジメチルアセトア
    ミド、ジメチルホルムアミド、N−メチル−2−ピロリ
    ドン、アセトン、エチルアセテート、テトラヒドロフラ
    ン、クロロホルム、m−クレゾール及びγ−ブチロラク
    トンの中から選択された単独溶媒あるいは2種以上の混
    合溶媒に対して常温で溶解されることを特徴とする請求
    項1記載のポリイミド樹脂。
  6. 【請求項6】芳香族のテトラカルボン酸二無水物と芳香
    族のジアミン化合物を溶液重合させてポリイミド樹脂を
    製造する方法において、 上記の芳香族のテトラカルボノ酸二無水物としては、ピ
    ロメリット酸二無水物(PMDA)、ベンゾフェノンテ
    トラカルボン酸二無水物(BTDA)、オキシジフタル
    酸二無水物(ODPA)、ビフェニルテトラカボン酸二
    無水物(BPDA)、ヘキサフルオロイソプロピリデン
    ジフタル酸二無水物(HFDA)及びヒドロキノンビス
    フタル酸二無水物(HQDPA)の中から選択された1
    種あるいは2種以上を含み、 上記の芳香族のジアミン化合物としては、次の化学式
    (2)により示される、置換されたアルキルジアニリン
    誘導体の中から1つ以上を必須成分として含み、必要に
    よりオキシジアニリン、メチレンジアニリン、メタビス
    アミノフェノキシジフェニルスルホン及びパラビスアミ
    ノフェノキシジフェニルスルホンの中から選択された1
    種あるいは2種以上の化合物を含むことを特徴とする次
    の化学式(1)を反復単位とするポリイミド樹脂の製造
    方法。 【化5】 上記化学式において、 【化6】 及びRは、それぞれ請求項1にて定義したものと同じ
    である。
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